一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体紫外光电探测器的技术领域，更具体地，涉及一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着信息技术的发展，人们对周围环境信息捕获和探测的手段越来越多样化，紫外光电探测器开始被广泛应用在军事、民用和科研等多个领域，并且人们对高性能紫外光电探测器的需求也日益增强。

目前市场上常见的紫外光电探测器主要是Si基光电二极管和配有滤波片的真空电子光电倍增管。基于III族氮化物半导体（包括二元化合物GaN、AlN，三元化合物AlGaN、InGaN、AlInN以及四元化合物AlInGaN）的紫外光电探测器因该半导体材料系统具有直接带隙，其多元化合物的禁带宽度随组分变化连续可调，从而可以实现本征可见光盲（光响应截止波长在280~363 nm范围）及日盲（光响应截止波长在200~280 nm）紫外探测、抗辐射、耐恶劣环境等特点而备受关注，成为当前的研究热点。其中，基于肖特基和PN结的GaN、AlGaN基可见光盲、日盲紫外光电二极管探测器已经商用化。但是，由于紫外光信号在大气的传输中衰减强烈，在通常情况下，待探测的紫外光信号特别是日盲紫外信号都是非常微弱的，因而要求信号接收端的光电探测器需具备光电增益。目前，在研发的增益型III族氮化物紫外光电探测器主要有雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）和异质结光电晶体（heterojunction phototransistor，HPT）管探测器。对于宽禁带半导体雪崩光电二极管，一般需要在二极管两端施加高反向偏压，在器件的耗尽区内产生足够强的电场，使得光生电子-空穴对在高场作用下产生碰撞电离，即雪崩倍增效应，从而获得高内部光电增益和响应速度。对于AlGaN基雪崩光电二极管来讲，通常需要上百伏的工作电压来产生雪崩击穿，而由于AlGaN外延层中存在较高的位错密度以及器件工艺制备过程中产生的缺陷，会导致高反向偏压工作下的雪崩光电二极管具有较高的漏电流（暗电流）。此外，基于p-i-n结构的典型AlGaN紫外雪崩光电二极管，其雪崩增益是由电子和空穴共同主导的碰撞离化所产生的，存在较高的过剩噪声。另一方面，异质结光电晶体管（NPN型）则是利用入射光在基区与集电区间的耗尽层或在基区所产生的光生空穴在基区累积，降低发射区-基区结的导带势垒，使发射区中的大量电子渡越基区流向集电区，形成比光生电流大得多的集电极电流，从而产生诱导增益。AlGaN基异质结光电晶体管具有工作电压低（通常低于10 V），因而漏电流较小；由于HPT不是工作在雪崩击穿条件下，器件可靠性相对高于APD，对外延材料中缺陷（以位错为主）的要求也相对较低；相比于APD器件，对工作电压及温度不十分敏感等一系列优点。然而，HPT的光电增益属于诱导增益，需要在发射区-基区结的价带势垒处积累足够多的光生空穴才能降低导带势垒，从而使发射区电子渡越基区，因此其微弱光（单光子）探测能力低于APD，响应速度也稍慢。除此以外，当前AlGaN基HPT探测器通常采用Mg元素掺杂得到p型外延层，而Mg原子在外延生长过程中会因为高温扩散而运动到其它外延层（包括前向与后向扩散），尤其是在p型层之后生长的外延层，会受到前向扩散与Mg记忆效应的双重影响，即Mg原子会对其后生长的n型外延层产生杂质补偿，使HPT中的pn结界面位置发生偏移，不但影响各个功能层的杂质分布（影响结构设计），也会影响外延层的结晶质量，最终劣化探测器的性能。

发明内容

针对现有的AlGaN基APD存在的在高反向偏压下漏电流大、雪崩过剩噪声大（电子与空穴共同触发雪崩）、雪崩工作电压高、因材料外延层中位错密度高而在雪崩击穿工作条件下易失效的问题；HPT存在的微弱光探测能力低以及响应速度较慢、p型掺杂原子Mg扩散劣化器件性能等问题，本发明的目的在于提供一种含有多异质结倍增区和低温插入层的雪崩异质结光电晶体管。众所周知，需要探测的紫外光信号通常强度微弱，而且在传输过程中衰减快。倍增噪声高、漏电流大以及响应速度慢等问题会严重影响紫外探测器的探测性能。因此，设计一种探测器，把雪崩光电二极管和异质结光电晶体管的优点结合起来，同时避免它们的缺点，具有重要的意义。此外，对于AlGaN基HPT，抑制p型外延层Mg原子的高温扩散，是实现AlGaN基HPT高性能紫外光探测的一个重要前提。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器，其中，包括衬底，利用金属有机化学气相沉积外延外生长法（或分子束外延生长法），依次在衬底上生长的非故意掺杂低温AlN缓冲层，非故意掺杂高温AlN缓冲层，非故意掺杂Al_mGa_1-mN窗口层，n型Al_mGa_1-mN层，n型Al_nGa_1-nN组分缓变层，非故意掺杂Al_aGa_1-aN吸收倍增层，非故意掺杂Al_bGa_1-bN吸收倍增层，非故意掺杂Al_cGa_1-cN吸收倍增层,Mg掺杂p型Al_xGa_1-xN层，非故意掺杂Al_xGa_1-xN层,n型Al_yGa_1-yN组分缓变层和n型Al_zGa_1-zN层，以及最后利用器件工艺沉积得到的n型欧姆接触电极。

进一步的，所述的衬底材料为蓝宝石、AlN或其他宽禁带材料衬底，其禁带宽度需能允许日盲紫外光入射通过。

所述的非故意掺杂低温AlN缓冲层的厚度为10-100 nm；所述非故意掺杂高温AlN缓冲层的厚度为0.2-2.0 μm；AlN缓冲层用于缓解晶格和热膨胀系数失配，降低材料生长的缺陷、应力和位错密度，从而保证其上的AlGaN外延层具有良好的晶体质量。

所述的非故意掺杂Al_mGa_1-mN窗口层的Al组分m=0.6~0.8，厚度为0.1-1.0>mGa_1-mN层的Al组分m=0.6~0.8，厚度为0.1-0.6>18>cm^-3，用作集电区和欧姆电极接触层。

所述的n型Al_nGa_1-nN组分缓变层的Al组分n在下层的Al组分m与上层的Al组分a之间线性变化，厚度为10-30>18>cm^-3，用于改善能带带阶对光生电子、空穴输运的阻挡，从而利于光生载流子的收集。

所述的非故意掺杂Al_aGa_1-aN倍增吸收层的Al组分a=0.55~0.75，厚度为30-150nm；所述非故意掺杂Al_bGa_1-bN倍增吸收层的Al组分b=0.47~0.67，厚度为30-150>cGa_1-cN倍增吸收层的Al组分c=0.38~0.47，厚度为30-150>aGa_1-aN层、Al_bGa_1-bN层和Al_cGa_1-cN层组合形成多异质结倍增区，利用多异质结能带结构不连续性，在促进空穴的碰撞电离的同时抑制电子的碰撞电离，可有效降低倍增噪声。

所述的p型Al_xGa_1-xN层的Al组分x=0.38~0.47之间，厚度为100-200>17-5×10^{18>cm-3，用作基区。}

所述的非故意掺杂Al_xGa_1-xN层的Al组分x=0.38~0.47，厚度为10-50>

所述的n型Al_zGa_1-zN层的Al组分z=0.5~0.6,>18>cm^-3之间，用作发射区和欧姆电极接触层；所述n型Al_yGa_1-yN组分缓变层的Al组分y在x与z之间线性变化，厚度为10-30>18>cm^-3；

n型欧姆接触电极是通过电子束蒸发、溅射等真空蒸镀技术，将Ti/Al/Ni或Pd、Pt、Mo/Au、Cr/Pd/Au等金属层组合沉积在n型Al_zGa_1-zN层和n型Al_mGa_1-mN层表面，并通过合金处理得到的。

具体的，本发明中，衬底材料选用蓝宝石、AlN或其它宽禁带材料衬底，其禁带宽度需能允许日盲紫外光入射通过；非故意掺杂低温AlN缓冲层的厚度为10~100 nm；非故意掺杂高温AlN缓冲层的厚度为0.2~2 μm；AlN缓冲层用于缓解晶格和热膨胀系数失配，降低材料生长的缺陷、应力和位错密度，从而保证其上的AlGaN外延层具有良好的晶体质量；非故意掺杂Al_mGa_1-mN窗口层的Al组分m在0.6~0.8（60%~80%）之间，厚度为0.1~1>mGa_1-mN层的Al组分m在0.6~0.8之间，厚度为0.1~0.6>18>cm^-3之间，作为集电区和欧姆电极接触层；n型Al_nGa_1-nN组分缓变层的Al组分n在下层的Al组分m与上层的Al组分a之间线性变化，厚度为10~30>17>cm^-3之间，用于改善能带带阶对光生电子、空穴输运的阻挡，从而利于光生载流子的收集；非故意掺杂Al_aGa_1-aN倍增吸收层的Al组分a在0.55~0.75之间，厚度为30-150>bGa_1-bN倍增吸收层的Al组分b在0.47~0.67之间，厚度为30-150>cGa_1-cN倍增吸收层的Al组分c在0.38~0.47之间（Al_0.38Ga_0.62N层的吸收边为280 nm，其它各组分以此为基准类推），厚度为30-150>aGa_1-aN层、Al_bGa_1-bN层和Al_cGa_1-cN层组合形成多异质结倍增区，利用AlGaN材料Al组分变化调制能带结构的不连续性，在促进空穴的碰撞电离的同时抑制电子的碰撞电离，可以有效降低倍增噪声；p型Al_xGa_1-xN层的Al组分x在0.38~0.47之间，厚度为100-200>17-5×10^{18>cm-3，用作基区；非故意掺杂Al_xGa_1-xN层的Al组分x=0.38~0.47，厚度为10-50>zGa_1-zN层的Al组分z在0.5~0.6,>18>cm-3之间，用作发射区和欧姆接触层；n型Al_yGa_1-yN组分缓变层的Al组分y在x-z之间线性变化，厚度为10-30>18>cm-3之间；n型欧姆接触电极是通过电子束蒸发、溅射等真空蒸镀技术，将Ti/Al/Ni（或Pd、Pt、Mo）/Au、Cr/Pd/Au等金属层组合沉积在n型Al_zGa_1-zN层和n型Al_nGa_1-nN层表面，并通过合金处理得到。}

AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器的制备方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：在n型Al_zGa_1-zN层上旋涂一层光刻胶，采用配有器件图形的光刻版，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型Al_zGa_1-zN层，其余未显影的光刻胶层作为一次掩膜；

步骤2：使用干法刻蚀技术，刻蚀暴露出的AlGaN外延层，刻蚀深度至n型Al_mGa_1-mN层，形成台阶结构；

步骤3：对干法刻蚀后的晶片进行纯氮气氛围保护下的快速热退火处理及湿法处理，恢复干法刻蚀形成的表面损伤；

步骤4：利用真空蒸镀技术分别在n型Al_zGa_1-zN层和n型Al_mGa_1-mN层的台面边缘处蒸镀由金属层组合的环形金属接触；

步骤5：对环形金属组合层进行合金化处理，形成n型欧姆接触电极；

步骤6：利用有机溶液、去离子水清洗器件表面，其后采用等离子增强化学气相沉积法或低压力化学气相沉积法在器件表面镀制氧化硅或氮化物钝化薄膜，保护除金属电极之外的器件表面。

本器件的工作原理为：器件采用背入射的方式，紫外光信号从衬底一侧进入到多异质结倍增区中被吸收产生光生电子-空穴对。在多异质结倍增区中，AlGaN外延层Al组分的变化会调制能带结构，在界面处产生的能带不连续性可以起到促进空穴的碰撞电离、同时抑制了电子的碰撞电离的作用，即光生电子在外加电场作用下，经由较窄禁带宽度的Al_aGa_1-aN层、较宽禁带宽度Al_bGa_1-bN、Al_cGa_1-cN层，漂移到集电区，其输运需克服导带带阶，碰撞离化过程受到阻碍；另一方面，光生空穴则在外加电场作用下，由较宽禁带宽度的Al_cGa_1-cN向较窄禁带宽度的Al_aGa_1-aN层漂移，能量增加，碰撞电离得到加强，从而形成空穴主导碰撞电离的雪崩模式。此外，通过雪崩倍增过程，光生空穴的数量大幅增加（即雪崩光电增益），在电场作用下继续漂移、扩散到基区，并由于异质结势垒的阻挡作用聚积在发射结界面处，拉低界面处的势垒，使得发射区的大量电子越过发射结势垒，进入基区并向集电区漂移，进一步增强光电流增益。

与现有技术相比，有益效果是：（1）设计了一种空穴触发雪崩的AlGaN日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器，结合了APD和HPT的优点，尤其是将雪崩光电增益与诱导光电增益相结合，在相对较低的偏压下就可实现高光增益，回避了APD的高工作电压所带来的漏电流大、可靠性差的问题，同时也提升了器件的响应速度；（2）采用多异质结倍增层，与单一Al组分倍增层相比，多异质结倍增层利用能带结构的不连续性在增强空穴碰撞离化的同时削弱电子的碰撞离化，避免了APD器件同时以空穴和电子为主导的碰撞离化而存在倍增噪声高的问题；（3）引入低温AlGaN插入层结构，可以有效抑制p型基区掺杂杂质Mg原子的扩散，提高器件的晶体质量。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，该方法适用于制作一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器，器件采用背入射方式，将APD与HPT相结合，利用APD的光生载流子的雪崩倍增，与HPT的诱导型光电增益，在较低的工作电压下即可实现高光电增益，同时规避了AlGaN光电探测器件在大工作电压下的漏电流（暗电流）增大、可靠性降低的难点问题；多异质结倍增区利用能带结构的不连续性，在实现对空穴碰撞离化增强的同时也实现了对电子碰撞离化的削弱。倍增区的碰撞离化可大致认为是以空穴为主导的雪崩倍增，这种以单一载流子为主导的雪崩倍增机制可以有效降低器件的过剩倍增噪音。另一方面，非故意掺杂低温AlGaN插入层的引入可以有效抑制基区Mg掺杂原子的扩散，提高器件的晶体质量。

本实施例如图1给出了一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器。器件包括：AlN衬底（1），利用外延生长法，如分子束外延或金属有机化学气相沉积外延法，依次在AlN衬底（1）上生长的20 nm的非故意掺杂低温AlN缓冲层（2）；1 μm的非故意掺杂高温AlN缓冲层（3）；400>mGa_1-mN层（4），Al组分m=0.6；200>mGa_1-mN层（5），Al组分m=0.6，电子浓度为3.5×10^{18>cm-3；10>nGa_1-nN层（6），Al组分n沿着厚度从0.6线性变化到0.47，电子浓度为3.8×1017>cm-3；50>aGa_1-aN层（7），Al组分a=0.55；30>bGa_1-bN层（8），Al组分b=0.47；80>cGa_1-cN层（9），Al组分c=0.40；120>xGa_1-xN层（10），Al组分x=0.4，空穴浓度为3.8×1017>cm-3；10>xGa_1-xN层（11），Al组分x=0.4；10>yGa_1-yN组分缓变层（12），Al组分y沿着厚度从0.4线性变化到0.5，电子浓度为2.7×1018>cm-3；150nm的n型掺杂Al_zGa_1-zN层（13），Al组分z=0.5,电子浓度为2.7×1018>cm-3；利用电子束蒸发技术在n型Al_zGa_1-zN层（13）和n型Al_mGa_1-mN层（5）上沉积Ti/Al/Ni/Au金属层后合金处理得到的n型欧姆接触电极（14）。}

简述器件制备工艺过程如下：

步骤1：在n型Al_zGa_1-zN层（13）上旋涂一层光刻胶，采用配有器件图形的光刻版，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型Al_zGa_1-zN层（13），其余未显影的光刻胶层作为一次掩膜；

步骤2：使用干法刻蚀技术，刻蚀暴露出的AlGaN外延层，刻蚀深度至n型Al_mGa_1-mN层（5），形成台阶结构；

步骤3：对干法刻蚀后的AlGaN日盲紫外探测器外延晶片在纯N₂氛围保护下高温（800-900℃）快速热退火1分钟，其后采用湿法处理（如KOH溶液），恢复干法刻蚀形成的表面损伤；

步骤4：利用电子束蒸发技术分别在n型Al_zGa_1-zN层（13）和n型Al_mGa_1-mN层（5）的台面边缘处蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属层组合成环形金属接触；

步骤5：对环形金属组合层进行合金化处理（高温合金处理），形成n型欧姆接触电极（14）；

步骤6：采用有机溶液、去离子水清洗晶片，然后采用等离子增强化学气相沉积法和光刻工艺，在除金属电极之外的晶片表面镀制SiOx钝化薄膜。

其中，紫外光信号从衬底一侧进入到多异质结倍增区中被吸收产生光生电子-空穴对。在多异质结倍增区中，AlGaN外延层Al组分的变化会调制能带结构，在界面处产生的能带不连续性可以起到促进空穴的碰撞电离、同时抑制了电子的碰撞电离的作用，即光生电子在外加电场作用下，经由较窄禁带宽度的Al_aGa_1-aN层、较宽禁带宽度Al_bGa_1-bN、Al_cGa_1-cN层，漂移到集电区，其输运需克服导带带阶，碰撞离化过程受到阻碍；另一方面，光生空穴则在外加电场作用下，由较宽禁带宽度的Al_cGa_1-cN向较窄禁带宽度的Al_aGa_1-aN层漂移，能量增加，碰撞电离得到加强，从而形成空穴主导碰撞电离的雪崩模式。此外，通过雪崩倍增过程，光生空穴的数量大幅增加（即雪崩光电增益），在电场作用下继续漂移、扩散到基区，并由于异质结势垒的阻挡作用聚积在发射结界面处，拉低界面处的势垒，使得发射区的大量电子越过发射结势垒，进入基区并向集电区漂移，进一步增强光电流增益。与普通光电晶体管相比，雪崩光电晶体管结合了APD和HPT的优点，尤其是将雪崩光电增益与诱导光电增益相结合，在相对较低的偏压下就可实现高光增益，回避了APD的高工作电压所带来的漏电流大、可靠性差的问题，同时也提升了器件的响应速度。本发明采用多异质结倍增层，与单一Al组分倍增层相比，多异质结倍增层利用能带结构的不连续性在增强空穴碰撞离化的同时削弱电子的碰撞离化，避免了APD器件同时以空穴和电子为主导的碰撞离化而存在倍增噪声高的问题。引入低温AlGaN插入层结构，可以有效抑制p型基区掺杂杂质Mg原子的扩散，提高器件的晶体质量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。